数字化地下流体观测仪器故障分析

李 颖，张 蕙,程冬焱,殷伟伟,王鹏伟

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

数字化前兆观测仪器与设备运行是否稳定，故障处理是否及时，将直接影响前兆台网整体运行质量及观测资料的连续性、完整性[1]。经过“十五”数字地震观测网络项目、地震背景场探测项目以及一系列后续项目的建设完成，目前，山西地下流体台网有数字化观测仪器31套，包括LN-3A和SWY-2数字水位仪、SZW-1A数字式温度计、SD-3A测氡仪、RG-BQZ智能测汞仪、ZKGD3000地下水数据监测系统、ATG-6138M痕量汞在线自动分析仪和ATG-6118H痕量氢在线自动分析仪。

据统计，2015-2017年，山西数字化地下流体台网观测仪器共发生故障490套次，且呈逐年递增的趋势，严重影响了观测数据的连续率和完整率。文章针对近3年来数字化地下流体观测仪器运行中典型、频发的故障现象和原因加以总结分析，为今后观测中仪器故障的快速判定、及时修复以及日常维护提供参考，以缩短仪器维修时间，提高运行率。

1 故障仪器分析

按照故障次数及累计时间进行统计，2015至2017年各型号仪器故障情况如表1所示。从统计数据来看，流体仪器中，出现故障最多的为LN-3A数字水位仪和SZW-1A数字式温度计。这是由于以上两种型号的观测仪器大部分是“十五”项目建设完成的，运行时间均超过10 a，探头和部分配件出现了不同程度的老化，仪器运行不稳定，抗干扰性能减弱。其中LN-3A数字水位仪已停止生产，设备厂家不再提供相应的售后服务，配件购买困难，影响了仪器的维修周期，造成缺测率高、运行率偏低的局面。

表1 2015至2017年山西流体台网各型号仪器故障情况统计表Table1 Fault statistics of various types of instruments in Shanxi fluid network from 2015 to 2017

2 故障类型分析

统计结果显示，山西流体台网数字化观测仪器故障频繁的主要原因集中在仪器主机、供电系统上，其次是传感器故障、通信故障、泄流口堵塞、避雷故障以及井口装置故障。各类观测仪器故障导致观测数据出现非正常变化形态各不相同，以高频变化为主，也会出现阶变、直线、趋势性畸变等。按照故障累计次数百分比进行统计，如第43页图1所示。

2.1 主机故障

主机故障占故障总数的44.4%，故障现象通常表现为面板不显示数字、按键不灵敏、接触不良等。引起此类故障的主要原因是数采死机，故障现象表现为网络连接正常，无法采集数据，仪器主页打不开；或者可以采集数据，采集数据显示为NULL值或空数据，以及仪器面板灯不亮等。此类问题多数是由于数采硬件老化或者软件存在bug所致，建议定期与仪器厂家沟

图1 2015至2017年山西流体台网仪器故障类型柱状图Fig.1 Column diagram of instrument failure types in Shanxi fluid network from 2015 to 2017

通，保证数采软、硬件及时更新升级，做好备件储备，及时更换数采配件，加强仪器运行监控，及时发现故障并处置，缩短仪器观测数据受影响的时间。2017年6月10日，曲沃地震观测站ZKGD3000地下水数据监测系统主机数采模块故障，无法进行数据自动交换，第二天补采前一天数据失败。观测员立即与厂家联系，厂家建议对数采模块进行软件重装，12日12:00-13:00进行数采升级，升级后数据仍无法交换；15日更换数采模块后，仪器恢复正常。

引起主机故障频繁的另外一个原因是LN-3A水位仪、SZW-1A水温仪、SD-3A测氡仪、RG-BQZ智能测汞仪等主机内部PC104工控机在运行过程中出现的工作不稳定、死机、重启及损坏和CF卡容量不足或损坏等。在实际工作中，当CF卡损坏或者PC104故障后，一般会通过更换新的CF卡或者整体更换PC104工控机进行故障排除。为节约仪器维修时间，山西前兆台网维修人员根据不同观测仪器特点，利用DiskGenius软件制作了不同仪器的CF存储卡。2017年9月5日，鸦儿坑地震台SZW-1A水温仪无法连接网络，数据不能正常入库。工作人员到达现场后，重启主机，之前数据全部变为乱码，显示器显示CF卡损坏。更换制作好的CF卡，重新配置参数后，仪器工作正常。

2.2 供电系统故障

供电系统故障约占故障总数的31.5%。山西前兆台网大部分流体台站为无人值守模式，供电系统采用交流+UPS+前兆电源或者太阳能供电方式。因此，供电系统故障也是造成仪器故障频繁的主要原因之一[2]。常见供电系统故障包括市电停电后UPS供电时间过短、供电线路老化、供电系统不稳定、交直流转换装置故障、太阳能供电不足以及仪器内部电源模块故障等，这些故障会导致观测数据出现高频脉冲、台阶以及缺测等异常变化。如2016年12月7日11:31-15:10，漫水台LN-3A水位仪因交直流切换变化导致数据出现异常振荡，变化幅度为0.072 m，这类现象在日常工作中比较普遍。2017年2月26日至3月2日介休LN-3A水位仪观测曲线背景噪声变大，不间断出现突跳、毛刺多，经现场排查，认为电源电容老化。更换主机电源板后，数据恢复正常(见图2)。

图2 介休LN-3A水位仪电源故障曲线图Fig.2 Power failure curve of Jiexiu LN-3A water level meter

2.3 传感器故障

传感器故障约占故障总数的13.0%。引起传感器故障的原因主要有两方面，一是传感器长期浸泡在地下流体中，易受侵蚀降低寿命；二是遭雷击损坏。传感器故障后，大部分需要等待厂家上门维修或者邮寄相关部件，维修周期长，且更换探头后需要一段较长的稳定时间[3]，对观测数据的完整性造成无法弥补的损失。当观测数据动态出现大幅度突跳、阶变、持续漂移、成片的坏数等，在排除人为干扰后，需检查传感器是否出现故障。2015年9月7日至15日，太原台LN-3A水位仪观测曲线出现错误数据、台阶以及不间断数据突跳，根据经验判断为水位传感器出现故障，更换探头后恢复正常(见图3)。

图3 太原台LN-3A水位仪传感器故障曲线图Fig.3 Fault curve of the LN-3A water level meter sensor in Taiyuan station

2.4 通讯故障

通讯故障约占故障总数的4.3%，通讯系统故障是影响仪器正常运行的主要因素之一。目前，山西前兆台网中心通讯链路采用100M SDH专线+VPN方式，有人值守台站采用4M SDH专线+VPN方式，无人值守台站采用CDMA无线方式。日常观测中出现的通信系统故障多为无线通讯故障，通常表现为数据接收出现问题，无法接收数据。此类故障分两种，一是无线路由器不正常，表现为如果停电或者模块掉电，拨打电话就会出现关机的提示音。如果信号不好或者卡接触不好，拨打电话时会出现暂时无法连通的提示声；二是交换机死机、损坏或者网线未插好。如果无线路由器的外网地址可以ping通，但仪器无法连通，则可能是交换机死机、损坏，交换机和仪器的网线未插好，路由器和交换机的网线未插好，仪器死机等等。

2.5 避雷器故障

避雷故障约占故障总数的1.9%。2014至2017年，在中国地震局防雷改造专项的支持下，山西省分批次对全省台站进行了综合防雷系统改造工程，包括接地网、电源防雷、信号防雷等,增强了台站综合防雷能力。避雷装置一旦发生故障，观测数据会出现突跳、台阶或断续缺测，固体潮不明显的现象。2017年5月24日，夏县东郭井SZW-1A型水温仪因信号防雷器故障，观测数据呈现突跳形态，拆除信号防雷器后，数据恢复正常(见图4)。

图4 夏县台SZW-1A型水温仪避雷故障曲线图Fig.4 Lightning protection fault curve of the SZW-1A water temperature meter in Xiaxian station

2.6 井(泉)泄流口堵塞

泄流口堵塞约占故障总数的4.3%。因观测井水中杂质或化学成分等在泄流口不断堆积与沉淀造成泄流口径变小，或因人为等外界因素堵塞泄流口，会引起井水位异常上升或下降变化[4]。

2017年6月18日至7月16日，榆社红崖头SWY-II动水位上升0.611 m，水位数据上升到观测以来最高值，并在1.24 m左右成直线小幅波动。台站工作人员赴现场核实，经检查泄流装置发现，下泄流口不泄流，上泄流口泄流。分析认为有杂质将下泄流口堵塞造成水位上升到上溢流口。开启泄流口阀门放水，有杂质和泥沙随井水排出，随后水位下降(见图5)。

2.7 井口装置故障

井口装置故障约占故障总数的0.6%。当气氡或气汞数值突然出现下降，需检查脱气装置进水管是否堵塞、输气管是否不畅或漏气。如夏县台SD-3A测氡

图5 榆社红崖头SWY-II水位仪泄流口堵塞曲线图Fig.5 Outlet clogging curve of the SWY-II water level meter in Hongyatou, Yushe

仪2017年7月24日18:00至25日09:00出现测值下降，检查仪器发现，系天气炎热导致仪器气路进气管松动所致，处理后测值恢复正常(见图6)。

图6 夏县台SD-3A测氡仪井口装置故障曲线图Fig.6 Fault curve of wellhead device of the SD-3A radon meter in Xiaxian station

3 问题与建议

观测仪器是地震前兆观测的核心设备，其运行状态决定着地震前兆台网的运行质量[5]。目前，山西地下流体台网数字化观测仪器存在的主要问题：一是由于观测仪器不同程度的老化、仪器长期稳定性差引起的；二是流体观测多为无人值守台站，遇到故障不能立即发现和排查，影响仪器的运行率。

(1) 通过近几年仪器更新改造项目，山西前兆台网已更换了部分流体仪器，但仍有不少仪器出现配件老化问题，建议加大对故障频发仪器的更新改造。

(2) 强化仪器备件管理，增加备机备件种类及数量，缩短仪器维修周期。

(3) 根据前兆仪器信号防雷器故障情况，将其列入年度购置专项，并进行动态更新。

(4) 供电系统的日常维护是台站工作的重要环节，区域中心和台站应加强对仪器供电系统的巡检，对达到使用年限的蓄电池及时进行更换，增加远程供电管理装置，实现对综合台站、无人值守台站的所有仪器设备的远程操作[6]，提高仪器运行率。

(5) 目前，山西前兆台网维修人员少，维护技术力量薄弱，建议加强相关的学习、培训工作，提高对仪器的维修维护水平。